Практическое руководство по лазерной эпиляции. Лазерное излучение и лазерная энергия

Консультации и учебные материалы по косметологии
Ответить
Alonsen
Администратор
Сообщения: 11
Зарегистрирован: 04 апр 2018, 16:24

Практическое руководство по лазерной эпиляции. Лазерное излучение и лазерная энергия

Сообщение Alonsen » 21 апр 2018, 19:51

Лазерное излучение и лазерная энергия
Чтобы понять, как работают лазеры и как они используются с медицинской точки зрения, важно иметь базовое понимание света, его природу и характеристики. В этом разделе представлено основное введение в эту тему.

Свет
Свет - это форма электромагнитного излучения. Он возникает, когда электроны испускают (теряют) энергию. Независимо от того, является ли источник солнцем, лампой накаливания или диодным лазером, свет генерируется, когда электроны излучают энергию небольшими порциями (квантами), известными как фотоны.

Хотя фотоны обычно считаются дискретными частицами, они распространяются в пространстве как электромагнитные волны, а количество энергии, которое они переносят, соответствует их длине волны. Чем короче длина волны фотона, тем выше его энергия.

Цвет видимого света определяется его длиной волны. Например, электромагнитное излучение красного цвета имеет длину волны около 760 нм., а фиолетового около 380 нм. Белый свет состоит из смеси всех других цветов.

Видимый свет содержит лишь малую часть всего спектра электромагнитного излучения (рис. 2.1), а некоторые лазеры могут давать излучение в невидимой части спектра. Например, CO2 лазер, широко используемый в дерматологии, излучает свет в инфракрасной части спектра и, как правило, используется вместе с маломощным диодным лазером красного видимого цвета для правильного позиционирования.

Изображение
Рис. 2.1. Спектр электромагнитного излучения. Видимый свет находится примерно в центре спектра.

Электронные энергетические уровни и спонтанное излучение
Атомы состоят из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него одного или нескольких электронов. Каждый электрон несет определенное количество энергии и, можно сказать, находится на определенном энергетическом уровне. Электроны на уровнях, наиболее близких к ядру, имеют более низкую энергию, а электроны на внешнем энергетическом уровне имеют более высокую энергию (рис.2.2)

Электроны обычно занимают самые низкие из доступных уровней. В таком случае атом находится в основном состоянии. Если электрон поглощает энергию (например, от воздействия электромагнитного излучения (радиоволны, свет и т.д.)), он перейдет на более высокий уровень энергии и окажется в возбужденном состоянии.

Изображение
Рис. 2.2. Электронные энергетические уровни и спонтанное излучение света. Электроны при поглощении энергии переходят из основного состояния в возбужденное. Электрон может затем испускать фотон, чтобы вернуться в основное состояние.

Важной характеристикой любого химического элемента является то, что он стремится перейти к наименьшему энергетическому состоянию. Таким образом, электроны в возбужденном состоянии быстро теряют свою дополнительную энергию и возвращаются в основное состояние. Энергия при этом испускается в виде фотона. Испускание такого фотона называется спонтанным излучением.

Еще одна характеристика химических элементов, которая делает возможным лазерное излучение, состоит в том, что в атомах допускаются определенные дискретные энергетические уровни. Чтобы перейти на более высокий уровень, электрон должен поглотить строго определенную порцию энергии (квант), соответствующую разности между двумя допустимыми уровнями. Если для возбуждения электронов используется свет, то поглощаются только те фотоны, которые обладают необходимым количеством энергии. Если у фотонов недостаточно энергии, то они не будут поглощаться атомом.

Вынужденное излучение
Электрон при возврате из возбужденного состояния испускает фотон, который в свою очередь может спровоцировать другой электрон в аналогичном возбужденном состоянии, чтобы тот испустил такой же фотон.

Например, в кристалле рубина большинство атомов, как правило, находятся в основном состоянии. Но их можно возбудить при помощи вспышки ксеноновой лампы высокой интенсивности. При такой внешней стимуляции большее количество атомов будет находиться в возбужденном состоянии, при этом в основном состоянии окажется меньшее количество атомов. Такое состояние называется инверсия населенностей уровней.

Когда в состоянии инверсии населенностей уровней один из атомов в кристалле спонтанно испускает фотон при переходе электрона на более низкий энергетический уровень, то  перемещаясь в случайном направлении, этот фотон может взаимодействовать с другим возбужденным атомом. Фотон, который таким образом взаимодействует с возбужденным атомом, называется индуцирующим. Поскольку встретившийся на пути фотона атом имеет такое же неустойчивое, возбужденное состояние, то он под воздействием этого фотона может перейти в основное состояние при этом так же испустив фотон. При этом индуцирующий фотон не поглощается. В результате такого взаимодействия, порожденный таким образом фотон будет иметь такую же энергию, фазу, направление распространения и поляризацию, что и индуцирующий фотон. Такой процесс называется индуцированное излучение (Рис. 2.3).

Изображение
Рисунок 2.3. Спонтанное и индуцированное излучение. При спонтанном излучении фотоны испускаются в случайных направлениях от возбужденных атомов. При индуцированном излучении возбужденный атом испускает фотон полностью идентичный индуцирующему фотону.

Усиление света с помощью индуцированного излучения
Индуцированное излучение является основой, однако для генерации лазерного излучения этого недостаточно. В описанной выше модели индуцированные фотоны движутся в случайных направлениях в зависимости от направления породивших их индуцирующих фотонов, и, хотя вторичные (индуцированные) фотоны сами могут выступать в роли индуцирующих, они ни не смогут этого сделать в том случае, когда направление их движения будет сильно отличаться от продольного, и они покинут кристалл прежде, чем индуцируют какой-либо фотон (рис. 2-4а). Тем более для генерации стабильного лазерного излучения необходимо неоднократное прохождение фотонов по всей длине кристалла. Для этого с обоих сторон (в некоторых случаях с одной стороны) продольной оси кристалла размещаются зеркала (рис. 2-4б).
Фотоны, движущиеся вдоль продольной оси, от зеркала отражаются обратно в кристалл, продолжая цепную реакцию, в то время как фотоны, движущиеся в других направлениях, покидают кристалл, не порождая новых фотонов. Одно из двух зеркал должно быть полупрозрачным, это позволяет пропускать небольшой процент излучения наружу. Далее это излучение испускается в виде лазерного излучения и может дополнительно фокусироваться оптическими элементами (линзами).

Изображение
Рисунок 2-4. Усиление излучения. a) Излучение прекращается, когда фотоны покидают кристалл. б) Излучение усиливается, когда фотоны распространяются вдоль продольной оси кристалла.

Характеристики лазерного излучения
Лазерное излучение имеет три уникальные характеристики, которые делают его уникальным. Лазерное излучение это:
  • Монохроматичность
  • Когерентность
  • Малая расходимость луча
Лазерное излучение является монохроматичным, то есть состоит из фотонов одной длины волны (или очень узкой полосы длин волн). Эта характеристика придает лазерному излучению его уникальность. Так, например, диодный лазер LightSheer генерирует излучение с длинной волны около 800 нм. Это излучение хорошо поглощается пигментом меланина в коже и волосяных фолликулах, и значительно хуже поглощается клетками без меланина. Поскольку лазерное излучение монохроматично, оно позволяет воздействовать именно на  меланинсодержащие клетки, уменьшая побочное воздействие на непигментированные клетки.

Второй важной характеристикой лазерного излучения является то, что оно имеет малую расходимость луча. Свет, создаваемый точечным источником, таким как лампа накаливания, излучается во всех направлениях. Из-за такого сильного расхождения, интенсивность света быстро убывает с удалением от источника света. Малая расходимость лазерного излучения позволяет сосредоточить высокую концентрацию энергии в очень узком луче, чего нельзя добиться каким-либо другим способом. Несмотря на то, что излучение лазерного диода, более расходящееся, чем излучение других лазеров, оно все же имеет намного меньшую расходимость, чем излучение ламп накаливания.

Последней важной характеристикой лазерного излучения является его когерентность;
то есть его волны находятся в фазе как во времени, так и в пространстве. Эта
характеристика позволяет при помощи лазерного луча передавать информацию (например, волоконно-оптическая передача данных). Так же это свойство широко используется в голографии.

Следует отметить, что последнее свойство лазерного излучения не имеет практического применения в технике лазерной эпиляции.

Компоненты лазерной системы
Типичная лазерная система обычно состоит из активной среды (рабочее тело, в котором генерируется лазерное излучение), системы «накачки», которая производит энергию для возбуждения атомов и оптического резонатора (пространство ограниченное зеркалами (рис. 2-5).

Изображение
Рисунок 2-5. Компоненты типичной лазерной системы. Система накачки производит энергию для возбуждения атомов в активной среде оптического резонатора, ограниченного параллельными зеркалами.

В качестве рабочего тела для генерации лазерного излучения могут применяться самые разнообразные вещества. Они могут быть твердыми (например, кристаллы, полупроводники), жидкими (например, органические красители) или газообразными (например диоксид углерода CO2). Вещество рабочей среды не должно иметь значительного поглощения на рабочей длине волны генерируемого лазерного излучения, атомы в рабочей среде должны иметь способность пребывания в  метастабильном состоянии, состоянии, в котором атом может оставаться в возбужденном состоянии короткий период времени до испускания фотона. Метастабильное состояние необходимо для того чтобы возбужденный атом мог "дождаться" взаимодействия с индуцирующим фотоном.

Лазерные диоды нашли широкое применение для коммерческого использования. Технология полупроводниковых лазерных систем имеет несколько преимуществ по сравнению с более старыми лазерными технологиями. Диодные лазеры имеют высокие эксплуатационные характеристики (они рассчитаны на длительную эксплуатацию и практически не требуют дополнительного технического обслуживания). Например, в разработках LightSheer, в силу конструктивных особенностей зеркала не подвержены смещению, что является недостатком более старых лазерных технологий.

Применение диодных лазеров также позволяет лазерным эпиляторам иметь более компактные размеры и большую эффективность, чем лазерные технологии предыдущих поколений. Например, модели LightSheer ET и ST довольно компактны. Тем не менее, они являются очень эффективными и способны преобразовать до 30-50 процентов электрической мощности в лазерное излучение, по сравнению с предыдущим поколением аппаратов, которые имеют коэффициент преобразования только 2-10 процентов.

Длина волны лазерного излучения зависит от характеристик активной среды и, при выборе соответствующей активной среды, могут быть созданы лазеры, которые работают в широком диапазоне электромагнитного спектра.
Например, лазер с диоксидом углерода излучает в инфракрасном диапазоне, аргоновые лазеры излучают в сине-зеленой части видимого спектра, а эксимерные лазеры (содержащие смеси газов) излучают в ультрафиолете (рис. 2-6).

Изображение
Рисунок 2-6. Величина проникновения лазерного излучения в ткань. Лазерная система LightSheer излучает длину волны приблизительно 800 нм.

Система накачки может быть реализована на основе электрического поля, света высокой интенсивности, радиоизлучения или на каком-либо другом принципе. Оптическая накачка посредством фотонов передает энергию активной среде. В этом случае оптический источник должен генерировать фотоны, обладающие достаточной энергией для того, чтобы возбудить атомы активной среды.

Как описано выше, оптический резонатор играет решающую роль в генерации лазерного излучения. Зеркала с обеих сторон активной среды должны быть точно отъюстированы для того, чтобы обеспечить перемещение фотонов вдоль оптической оси активной среды.

Полупроводниковые диодные лазеры
Лазерное излучение в аппаратах LightSheer, генерируется благодаря массиву лазерных диодов.
Принцип работы лазерного диода подобен вышеописанному принципу работы твердотельного лазерного генератора. Если не вдаваться в подробности, то "накачка" в лазерных диодах осуществляется благодаря тому, что под действием электрического потенциала в так называемом p - n переходе происходит рекомбинация (слияние) дырок и электронов с выделением энергии в виде фотона (на этом принципе работают светодиоды). Однако перед рекомбинацией электрон и дырка могут находиться вблизи достаточно продолжительное время, и если в этот момент через эту область пространства пролетит фотон, то он спровоцирует вынужденную рекомбинацию и как следствие порождение еще одного фотона, при чем порожденный (индуцированный) фотон при такой рекомбинации будет обладать всеми характеристиками породившего его (индуцирующего) фотона. Таким образом, если эту область ограничить с дух сторон параллельными зеркалами, то при движении индуцирующего фотона в направлении перпендикулярном этим зеркалам, при многократном отражении от них он сможет индуцировать достаточное количество фотонов для генерации лазерного излучения. Кристалл лазерного диода изготавливают в виде тонкой пластинки, боковые грани которой (торцы) очень тщательно полируются для образования зеркальной поверхности, в результате чего сам кристалл является оптическим резонатором. В виду того, что в кристалле лазерного диода нет отдельных регулируемых частей, лазерные диоды обладают очень надежными эксплуатационными характеристиками. Схематическое строение лазерного диода представлено на рисунке 2-7.

Изображение
Рисунок 2-7. Схема полупроводникового диодного лазера. Внешний источник питания необходим для создания смещения p-n перехода в прямом направлении. Электроны инжектируются из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, испуская фотоны. Эти фотоны приводят к цепной реакции, которая вызывает усиление света и образование лазерного луча.

Для увеличения излучаемой мощности лазерные диоды объединяются в, так называемые, бары или линейки лазерных диодов (рис. 2-8). Так, например, в системе LightSheer, такие линейки лазерных диодов имеют размеры 10 мм. в ширину, 1 мм. в длину и толщину 0,1 мм. Каждая такая линейка имеет от 19 до 25 отдельных излучателей.
Поскольку каждая отдельная линейка лазерных диодов (бар) излучает относительно небольшое количество энергии лазера, они часто объединяются в массивы. Например, каждая манипула LightSheer содержит пять массивов, каждый из которых обычно содержит 14 или 20 баров, которые вместе генерируют по меньшей мере 1600 Вт пиковой мощности.
Массивы лазерных баров имеют значительную площадь. Для того чтобы сконцентрировать всю энергию на меньшей площади в манипуле системы LightSheer применяется призмовидный световод. Далее уже более узкий пучок лазерного излучения через сапфировый наконечник попадает на кожу. В результате такой фокусировки, на выходе из манипулы лазерное излучение имеет большие показатели энергии, до 60 - 100 Дж/см2.

Изображение
Рисунок 2-8. Структура линейки лазерных диодов (бара). Отдельные лазерные излучатели выращиваются на кремниевой пластине, аналогичной производству интегральных схем и компьютерных микропроцессоров.

Режимы работы лазера
Лазеры могут быть спроектированы для работы в разных временных режимах, основанных на времени излучения энергии.
• Непрерывный режим работы лазера - излучается непрерывный поток энергии.
• Импульсный режим работы лазера - энергия излучается импульсами от сотен микросекунд до десятков миллисекунд.
• Лазеры с Q-переключением добротности - имеют очень высокую пиковую мощность.
Режим работы лазера выбирается исходя из предполагаемой сферы применения лазера.
Некоторые лазеры могут работать в нескольких режимах.

В статье использована информация, предоставленная Lumenis Inc. Автор не несет ответственности за параметры, методы или последствия использования мощных твердотельных диодных лазеров для удаления волос. Операторы должны использовать свое собственное клиническое суждение и профессионализм при определении всех аспектов лечения, в том числе, предпроцедурные препараты, интервалы лечения и уход после лечения.

Ответить